光电测距仪测距误差分析

光电测距仪测距误差分析

武汉大学电子信息学院 湖北 武汉

摘要：本文指出了光电测距仪测距误差的主要来源，对测距误差及其影响进行了分析，并给出精度评定的方法。

关键词：光电测距仪 测距误差 精度评定

一、引言

光电测距仪自问世以来,以其操作方便、快捷、高效、精密、自动化、智能化等特点,被广泛应用于工程测量、控制测量、地形测量、地籍与房产测量、施工放样、工业测量及近海定位等领域。数字地球的建设,也以其为基本的数字采集设备之一。作为一种被多种领域频繁使用的长度计量仪器,光电测距仪测距误差的分析与测距精度的定期评定始终是用户和承包方关心的问题。因为仪器能否在要求的精度下可靠地工作,是测量工作能否保质保量完成的前提条件。 国家技术监督局对光电仪器（全站仪、测距仪）测距系统的检定目的、项目和方法作了具的规范要求，本文就光电仪器的测距误差及精度评定进行分析。 测距精度是光电测距仪的重要技术指标之一，其测距精度不但与仪器的性能有关，同时也取决于使用方法和实测时外界因素的影响。分析测距误差的来源和影响程度，找出消除或减弱误差的措施和方法，对于正确、合理地使用仪器和维护仪器，以便测出精度较好的距离成果和分析测距成果质量等都是很有必要的。按照规范要求，对仪器进行检定，客观地评定仪器测距的实际综合精度，对了解仪器性能指标，验收新购和修理后的仪器以及合理使用仪器尤为重要。 欲达到系统客观地评定一台光电测距仪的测距精度这一目的，一方面应严格地按照规范要求对仪器进行检定，另一方面还需具备有关测距原理及相关的误差理论知识，以便找出测距误差的主要来源，再进行测距误差分析，作为综合评定仪器精度的依据。

二、光电测距原理

1.光电测距仪按仪器测程分类：

短程光电测距仪：测程在3Km 以内，测距精度一般在1cm 左右。

中程光电测距仪：测程在3~15Km 左右，适用于二、三、四等控制网的边长控制，精度一般可达±（10mm+6-10⨯）。

远程激光测距仪：测程在15Km 以上的测距仪，精度一般可达±（5mm+16-10⨯），满足国家一、二等控制网的边长控制。

2.测尺频率的选择：

直接测尺频率方式：直接使用各测尺频率的测量结果组合成待测距离的方式。

间接测尺频率方式：用差频作为测尺频率进行测距的方式。

测尺频率的确定：一般将用于决定仪器测距精度的测尺频率称精测尺频率；而将用于扩展测程的测尺频率称为粗测尺频率。

对于采用直接测尺频率方式的测距仪，精测尺频率的确定，依据测向精度，主要考虑仪器的测程和测量结果的准确衔接，还要是确定的测尺长度便于计算。

3.测尺频率可依据下式计算：

i i i nL c L c f 220

1== (1)

式中，i f ------------光波在大气中的传播速度；

c ------------大气折射率；

n ------------光波在真空中的传播速度；

0c ------------调制频率（测尺频率）。

4.光电测距仪的工作原理：

电磁波测距是通过测定电磁波束在待测距离上往返传播的时间D 2t 来计算待测距

离D 的，如下图所示，电磁波测距的基本公式为 D=D 2ct 2

1 (2)

式中 c ——电磁波在大气中的传播速度。

电磁波在测线上的往返传播时间D 2t ，可以直接测定，也可以间接测定。直接测定电磁波传播时间是用一种脉冲波，它是由仪器的发送设备发射出去，被目标反射回来，再由仪器接收器接收，最后由仪器的显示系统显示出脉冲在测线上往返传播的时间D 2t 或直接显示出测线的斜距，这种测距仪称为脉冲式测距仪。间接测定电磁波传播时间是采用一种连续调制波，它由仪器发射出去，被反射回来后进入仪器接收器，通过发射信号与返回信号的相位比较，即可测定调制波往返于测线的迟后相位差中小于2π的尾数。用n 个不同调制波的测相结果，便可

间接推算出传播时间D 2t ，并计算（或直接显示）出测线的倾斜距离。这种测距仪器称为相位式测距仪。

三、光电测距仪测距误差的主要来源

光电测距仪的测距误差分为两部分：

（1）比例误差：与被测距离长度成比例的误差，主要有频率误差、大气折射率误差及真空光速测距误差。其中真空测距误差对测距值得影响可忽略不计。

（2）固定误差：仪器固有的误差，与被测距离长度无关，包括零点误差的检定误差、仪器与反射镜的对中误差、测相误差、发光管相位不均匀性误差和周期误差。周期误差主要来源于内部光电信号的同频窜扰，误差的大小是以精测尺的长度为周期重复出现的。

其中，比例误差、周期误差、零点误差为光电测距仪的主要系统误差。

由于现如今广泛应用于精密测距的测距仪器是相位式测距仪，本文以相位式测距仪为例，分析其测距误差。测距误差的大小与仪器本身的质量，观测时的外界环境以及操作方法有着密切的关系。为了提高测距精度，必须正确地分析测距误差的来源、性质及大小，从而找到消除或削弱其影响的办法，使测距达到最高精度，同时对正确使用、检定和维护仪器具有重要的作用。

分析仪器的测距误差也和分析测量成果的误差一样，可由测距公式和仪器使用情况来寻找误差的主要来源。目前光电仪器所采用的相位法测距来自于公式：

K N nf

c D +∆Φ+=)2(20π (3) 式中，π2∆Φ=∆N ------------测尺长度；

N ------------整周数；

0c ------------光在真空中的传播速度，;*0n c c =

n ------------大气折射率；

f ------------光波的调制频率；

∆Φ------------往返传播相位差；

K ------------仪器常数。

将（3）式线性化并根据误差传播定律的测距误差：

22222002

2)4()()()(φπλm n m f m c m D M n f c D +⎭⎬⎫⎩⎨⎧++= （4）